大脑衰老的秘密：山西大学杜宇慧团队利用2.7万样本揭示功能与结构协同演变规律

研究背景

认知功能随年龄增长而衰退，与大脑结构和功能的改变密切相关。以往研究多采用单一模态，分别探讨大脑结构或功能连接的变化，但功能与结构在衰老进程中实为相互影响、协同演变。更为关键的是，已有的多模态脑龄研究常采用直接拼接特征的方法，这容易使更为显著的结构变化掩盖相对细微的功能贡献，从而难以解析二者之间真正的联合衰老模式。

研究进展

为克服上述挑战，研究团队提出一个统一的多模态脑龄预测—联合衰老解析框架（图1）。该框架首先通过嵌套十折交叉验证的Lasso回归模型，分别基于功能网络连接和全脑灰质体积进行单模态脑年龄预测，并筛选出关键特征；随后采用筛选出的重要特征组合，构建多模态预测模型进行验证；最终，在获得可靠的衰老相关脑特征基础上，开展了功能—结构联合变化分析，并探究其与认知表现的关系。

研究发现，基于灰质体积的单一模态模型在预测年龄方面优于基于功能连接的模型，这与脑结构在衰老过程中变化更为显著的已有研究结论相符。更重要的是，融合了功能与结构信息的多模态预测模型展现了最优的性能（图2），这一结果强有力地证明了采用多模态联合分析对于全面、深刻理解大脑衰老过程的必要性。

在获得可靠的衰老相关特征后，研究核心聚焦于功能与结构的联合变化分析。结果显示，大脑衰老主要呈现两种模式（图3）：

· 协同性变化：表现为功能连接强度减弱与灰质体积萎缩同步发生。这种模式占主导地位，主要分布于小脑、额叶、旁扣带回及楔前叶等区域，指示这些与运动控制、感觉整合及高级认知功能相关的脑区，正经历着一致性的功能与结构退化。

· 代偿性变化：在灰质体积减少的情况下，功能连接反而呈现增强趋势。此类变化主要出现在枕叶、外侧枕叶皮层等视觉功能区以及额叶，提示大脑可能通过增强功能性连接以部分代偿结构性的萎缩，从而作为一种积极的适应机制来努力维持相应的认知功能。

研究进一步发现，特定的联合变化模式与不同认知衰退显著相关（图4）。与流体智力和数字记忆关联最强的联合变化主要是视觉相关脑区的代偿性变化（功能增强伴随结构萎缩），这可能反映了为维持视觉信息处理精度及相关记忆功能而进行的积极代偿。与反应时间减慢关联最为显著的则是小脑Crus I区与旁扣带回之间表现出协同性下降（功能与结构同步减退），表明感觉运动整合与注意控制环路的同步退化直接导致了反应速度的延迟。

意义与展望

此项基于大样本的研究，为理解健康大脑衰老提供了功能与结构共变化的直接证据，表明正常的脑老化并非简单的全面退化，而是一个包含“广泛协同退化”与“局部功能代偿”并行的复杂动态过程。该研究成果不仅深化了对认知衰老神经生物学机制的理解，解释了不同认知能力为何存在差异化的衰退轨迹，也为未来开发基于多模态脑影像的、针对特定神经环路的早期生物标志物及干预策略奠定了坚实的科学基础。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0887